Generación de biogás mediante el proceso de digestión anaerobia a partir
de aprovechamiento de sustratos orgánicos (pasto y aserrín), en la ciudad
de Estelí en el año 2017
UNAN- Managua, FAREM- Estelí.
Autores:
Octavio José Sanabria Vindell. [email protected]
Ariel Eduardo Sánchez Melgara. [email protected]
Yalmar Salatiel Rodas Espinoza.
Tutor: M.Sc Edwin Antonio Reyes. [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo investigativo tuvo como propósito desarrollar un estudio de
producción de biogás por medio del proceso de digestión anaerobia no controlada a partir del
aprovechamiento y caracterización de diversos sustratos orgánicos como son en aserrín y el
pasto. El presente estudio se rige por el enfoque filosófico mixto, de acuerdo al método de
investigación el presente estudio es experimental y según el nivel de profundidad del
conocimiento es descriptivo, de acuerdo a la clasificación del tipo de estudio es correlacional.
De acuerdo, al tiempo de ocurrencia de los hechos y registro de la información, el estudio es
prospectivo, por el período y secuencia del estudio es transversal y según el análisis y alcance
de los resultados el estudio es analítico. La investigación se concluye de manera satisfactoria;
el biogás generado en la fermentación de los sustratos estudiados puede utilizarse en estufas
convencionales, como una forma de energía sustentable que funcionan a base de dicho
combustible son una más de las alternativas energéticas sustentables en comunidades rurales.
Palabras claves: Ph, temperatura, masa seca, masa húmeda, ceniza
INTRODUCCION
La biomasa es aquella materia orgánica de origen vegetal o animal, incluyendo los
residuos y desechos orgánicos, susceptible de ser aprovechada energéticamente. Las plantas
transforman la energía radiante del sol en energía química a través de la fotosíntesis, y parte
de esta energía queda almacenada en forma de materia orgánica. También la biomasa se
puede considerar como un grupo de productos energéticos y materia primas de tipo renovable
que se originan a partir de materia orgánica formada por vía biológica.
Como fuente alternativa se puede producir diferentes biocombustibles (llamados de
segunda generación) a partir de algas a través del uso de nuevas tecnologías donde se integra
su producción a la de otros productos de valor comercial dentro de lo que se conoce como
biorrefinería.
Un biodigestor es un contenedor hermético que permite la descomposición de la materia
orgánica en condiciones anaeróbicas y facilita la extracción del gas resultante para su uso
como energía. El biodigestor cuenta con una entrada para el material orgánico, un espacio
para su descomposición, una salida con válvula de control para el gas (biogás), y una salida
para el material ya procesado.
La investigación es de mucha importancia ya que el biogás generado en la fermentación
de los sustratos estudiados puede utilizarse en estufas convencionales, como una forma de
energía sustentable que funcionan a base de dicho combustible (aserrín y pasto) son una más
de las alternativas energéticas sustentables en comunidades rurales.
JUSTIFICACION
Con esta investigación se ha evaluado el potencial energético generado en diferentes
sustratos orgánicos (aserrín, pasto) que han sido nulos o poco estudiados, de esta forma
puedan implementarse tecnologías para reducir los despales indiscriminados generados por
el alto consumo de leña, así mismo permitirá reducir enfermedades y por ende contribuir a la
calidad de vida de las personas.
La generación de biogás a partir de diversos sustratos orgánicos tiene como propósito
coadyuvar en la reducción de emisiones de gases que provocan el efecto invernadero del
planeta, pero también es una alternativa que permite obtener energía para cubrir las
necesidades de combustible en los hogares sobre todo de la zona rural de nuestro país, y
resolver problemas como la disposición final de desechos, malos olores, fauna nociva,
transmisión de enfermedades y contaminación de mantos freáticos. Además de que se puede
obtener biofertilizantes a partir de los lodos residuales.
MATERIALES Y METODOS
Tipo de estudio
Se rige por el enfoque filosófico mixto, de acuerdo al método de investigación el presente
estudio es experimental y según el nivel de profundidad del conocimiento es descriptivo, de
acuerdo a la clasificación del tipo de estudio es correlacional. De acuerdo, al tiempo de
ocurrencia de los hechos y registro de la información, el estudio es prospectivo, por el período
y secuencia del estudio es transversal y según el análisis y alcance de los resultados el estudio
es analítico.
Universo
El universo de este estudio fueron todos los sustratos orgánicos a estudiar y contaron con
seis repeticiones y dos tratamientos, las unidades experimentales
Tipo de muestreo
Muestreo probabilístico.
Muestra
2 muestras (pasto y aserrín)
Técnicas de recolección de datos
La observación, entrevista.
Recolección de datos e información
Una vez estructurados los instrumentos se inició el trabajo de campo de acuerdo a los
objetivos de la investigación.
La caracterización de las propiedades básicas de la materia orgánica se basó en la norma
UNE 77030:1982, para establecer la relación causa y efecto de los sustratos a evaluar a través
de la periodicidad de la realización de los experimentos, y el contar con una normativa de
evaluación es esencial en el estudio de un fenómeno, con una serie de pasos por lo que se
llega a percibir mayor objetividad en el proceso de investigación, un componente esencial
para el investigador.
En esta etapa se determinaron los sólidos volátiles, se pesaron los sustratos orgánicos que
posteriormente se introdujeron en un horno en capsulas de porcelana, a una temperatura de
105°C durante un intervalo determinado de tiempo. Se introdujo nuevamente en el horno a
una temperatura de 550°C durante seis horas. Una vez concluido el proceso de secado se
procedió a la extracción de las muestras, pesándolas para conocer el porcentaje de cenizas y
el contenido de sólidos volátiles presente en las muestras.
Se realizó la construcción de la unidad experimental que consta de 2 biodigestores, con
capacidad de 20 litros, en cada uno de ellos, se perfora la parte frontal y se conecta una
válvula de seguridad, además cuenta con una línea de entrada y sus respectivas llaves de abre
y cierre tanto para la carga como para la descarga de los biodigestores Para el
almacenamiento del metano se colocó un sistema de manguera que va conectado al
neumático. Para cargar los reactores de materia orgánica tipo batch se procedió a aplicar las
relaciones de (sustrato agua) con valores específicos que se determinen una vez iniciado la
fase experimental. Se aplicará la relación 2:1, es decir por cada 2 kilogramos de sustrato, un
litro de agua, los reactores tienen capacidad de 20 litros, se utiliza el 75% para la cámara
gaseosa y el 25% (almacenamiento de biogás).
Se realizaron las pruebas para obtener los datos para la comparación de estos:
Grado de Acidez
Se recolecto líquido de la mezcla a través de la válvula que se sitúa en la parte inferior
del biodigestor portátil, se introdujo el instrumento digital PH-metro. Para ver en qué valor
está ya que el valor óptimo para la digestión metanogénica es de 6.5 a 7.5, cuando baja de 5
o sube de 8 pude inhibir el proceso de fermentación o incluso detenerlo.
Rango de temperatura
Para la obtención de los datos de este parámetro se dispuso de un termómetro digital
insertado directamente en la parte superior del biodigestor para conocer el régimen de
operación de los biodigestores, si es Psicrófílicas Menos de 20°C, Mesófílicas entre 20°C y
40°C, Termófílicas más de 40oC
Se realizaron entrevista en la comunidad escogida para conocer los factores que nos
propusimos a investigar, la entrevista se hizo con la población que utiliza biodigestores este
factor dependiendo de la cantidad de la población.
RESULTADOS
OE1: Caracterizar las propiedades básicas de los sustratos orgánicos que permiten
la generación de biogás que se obtiene en el proceso de conversión.
Grafica 1: Diagnósticos generados con el programa
El grafico de caja muestra una considerable diferencia entre los dos sustratos conformen
a los aprovechamientos de los sólidos volátiles siendo el aserrín mejor según los resultados
obtenidos por el programa, en los diagramas de dispersión se muestra las doces repeticiones
realizadas (6 de cada sustrato) las cuales siguen la línea de parámetro por lo que se muestra
que los puntos están en secuencia o siguen un orden demostrando estos la normalidad de los
datos.
OE2: Producción de biogás de los diversos sustratos orgánicos en función del
rendimiento de cada una de las muestras que se sometan a dicho proceso.
En la gráfica N°2 se aprecia los valores referentes a la producción de biogás conforme
a los días de operación de los reactores tipo Batch, donde se observa la máxima cantidad
producida en ml de cada sustrato, así como también los niveles en el que el volumen
producido de biogás comienza a decaer hasta finalizar su producción.
Los valores de producción se han obtenido realizando mediciones en los días 23 y
31, obteniendo el volumen total de producido de cada sustrato correspondiente a los días
de medición, que conllevaron a obtener la producción total de los mismos, mediante el
desplazamiento de agua mencionado en la metodología.
El sustrato que presenta mayor volumen de biogás generado, corresponde al de
Aserrín, con una producción total de 9000 ml, equivalente a 9 litros de biogás, seguido
por el de pasto con una producción 8100 ml, equivalente a 8.1 litros.
Se observa la producción a partir del día 23, siendo el aserrín el sustrato con mayor
producción y en el otro sustrato, el pasto se muestra un aumento en la producción del
considerablemente al agregar inoculo de una materia fresca (caballo).
Grafica 2: Producción de Biogás
OE3: Correlacionar los parámetros ambientales y operacionales del proceso
metanogénico de la generación de biogás generado en un biodigestor tipo Bach.
a) Temperatura
Uno de los factores ambientales más importantes dentro del proceso de digestión
anaerobia es la temperatura de operación de los biodigestores, además de ser considerado un
parámetro principal para el diseño, debido a la gran influencia de este factor en la velocidad
de la digestión anaerobia. Existen tres rangos de temperatura en los que se puede llevar a
cabo la digestión anaerobia, los Psicrofílicos que se encuentran por debajo de los 25ºC, los
mesofílicos (25 y 45ºC) y termofílicos (45 y 65ºC). (Martí Ortega, 2002). La tabla N°6 recoge
los valores promedios de este experimento.
Biodigestores
Temperatura °C
Aserrín 29.38
Pasto 27.79
Tabla 1: Valores promedios de temperatura de los biodigestores
La media de temperatura obtenida a través del programa Infostat, nos indica que los
biodigestores estaban operando en régimen mesofílicos (25 y 45ºC), no se detectaron
variaciones bruscas de temperatura dentro del, por tal motivo se considera excelente la
temperatura obtenida.
El grafico N°3 muestra las temperaturas obtenidas en los 2 biodigestores, se muestra que
desde el inicio de la puesta en operación de los biodigestores se mantuvo en el rango normal
de operación hemofílico alcanzando mayores temperaturas los primeros días luego siendo
constantes si cambios bruscos.
Grafica 3: Temperatura de los biodigestores
b) Ph y Alcalinidad
El valor de pH en los digestores no sólo determina la producción de biogás si no también
su composición, el descenso del pH menor de 6 genera un biogás muy pobre en metano y por
consecuencia tiene menores cualidades energéticas.
El rango óptimo del pH para lograr una mayor eficiencia en la biodigestión es entre 6 a 8
(McCarty, 2013). La tabla N°7 recoge los valores promedios de este experimento.
Biodigestores
pH
Aserrín 6.4
Pasto 5.5
Tabla 2: Medidas promedio de Ph
La media de pH obtenida a través del programa Infostat, nos indica que los
biodigestores estaban operando correctamente. El equilibrio ácido-base que tiene lugar
en la operación de los biodigestores anaerobios es muy importante por la presencia de
los diversos tipos de microorganismos que están en el medio y que requieren ser
neutralizados para restituir el pH.
Grafica 4: Medicines de Ph de los biodigestores
El grafico N°4 muestra que en los primeros días el pH se mantuvo por debajo del
rango normal de operación en nivel acido, estabilizándose en nivel neutro a partir del
día 23 manteniéndose en el rango hasta el día en que finalizo la experimentación.
Prueba de hipótesis estadística
Ho: En las etapas de digestión anaerobia, la generación de biogás se mejoraría a partir de
aprovechamiento de sustratos orgánicos (aserrín y pasto), siempre y cuando los parámetros,
físicos (Temperatura, Masa seca, Masa Húmeda), químicos (PH) y biológicos
(Contaminantes) se encuentre en rangos óptimos, en la ciudad de Estelí en el año 2017.
E:\BDDBiogas2.aserrin.IDB2: 24/11/2017 - 11:36:47 a. m. - [Versión: 11/9/2017]
Coeficientes de correlación
Correlación de Pearson
Variable (1) Variable (2) n Pearson p-valor
Prod Pasto Ph Pasto 2 1.00 0.0001
Prod Pasto Temp. Pasto 2 1.00 0.0001
Ph Pasto Temp. Pasto 31 0.56 0.0010
E:\BDDBiogas2.aserrin.IDB2: 24/11/2017 - 11:37:41 a. m. - [Versión: 11/9/2017]
Coeficientes de correlación
Correlación de Pearson
Variable (1) Variable (2) n Pearson p-valor
Prod Aserrin Ph Aserrin 2 0.00 >0.9999
Prod Aserrin Temp Aserrin 2 -1.00 sd
Ph Aserrín Temp Aserrín 31 -0.07 0.6935
La realización de esta prueba de correlación de Pearson, dado el resultado obtenido se
puede afirmar que se acepta la Ho: En las etapas de digestión anaerobia, la generación de
biogás se mejoraría a partir de aprovechamiento de sustratos orgánicos (aserrín y pasto),
siempre y cuando los parámetros, físicos (Temperatura, Masa seca, Masa Húmeda), químicos
(PH) y biológicos (Contaminantes) se encuentre en rangos óptimos, en la ciudad de Estelí en
el año 2017., con la obtención de un p = 0.0001 y p = 0.0001, el cual es menor que el nivel
crítico de comparación establecido de α = 0,05. Claramente se ve que existe una diferencia
significativa (sd), lo cual demostró que existe una correlación de significancia de la
temperatura y pH sobre la variable respuesta producción de biogás.
Se presentan ambas pruebas de los dos sustratos resultando que el sustrato Pasto cumplió
que la producción de biogás cumple con los parámetros (Ph y Temperatura), al igual en el
sustrato aserrín se muestra un valor de p con diferencia significativa, pero los demás datos
alterados ya que su producción fue alterada al introducir un inoculo de muestras fresca.
OE4: Establecer el impacto económico, social, ambiental y de salud del uso de
biodigestores en distintas en la comunidad de Potrerillo.
N° Preguntas Aspecto Respuesta
1 ¿Considera que con el uso de los
biodigestores los beneficiarios han
mejora su calidad de vida?
Económico Si.
Reduccion de Gasto (Cilindro de Gas,
trabajo en recoleccion
de leña)
2 ¿De dónde provino el
financiamiento de este proyecto, el
beneficiario pago todo, un porcentaje o
nada?
Económico
CARITAS - ESTELI
3 ¿Cuál fue la razón que los motivo a
implementar el proyecto de
biodigestores en esta comunidad?
Social
La comunidad a
tenido participacion
en estos proyectos
4 ¿Cómo se dio inicio a la
organización del proyecto con los
comunitarios?
Social Mediante el secretario de la comunidad
5 ¿Han sido capacitados los
beneficiarios para el uso y
mantenimiento de los biodigestores?
Ambiental Si.
Al inicio del proyecto
en el uso y para dar el
mantenimiento
6 ¿Cuáles son las lecciones
aprendidas con la implementación de
este tipo de tecnología?
Ambiental Menos tala de arboles
Menos emisiones de humo
Se mantienen los rios
7 ¿Cuáles son los beneficios que se ha
logrado con la implementación de esta
tecnología?
Salud No se perjudica a la
familia con el humo
Se ahorra tiempo y trabajo
8 ¿Considera usted que con la
implementación de esta tecnología, ha
ayudado a mejorar su salud?
Salud Si.
Menos dolores musculares
Se evita cualquier accidente
No se absorbe humo a
la hora de encender el
fuego.
Tabla 3: Matriz de Entrevista Como podemos observar en la matriz anterior se aplicó una entrevista con 8 preguntas
esenciales, que corresponden 4 aspectos importantes para comprender lo que dice la
población sobre el uso de los biodigestores en la comunidad de Potrerillo.
La entrevista se aplicó a las personas responsables de la comunidad quienes nos
brindaron información necesaria como:
En la Parte económica se conoció que el implemento de esta tecnología trajo consigo
una reducción al ahorro de las casas ya que no comprarían cilindros de gas, al pagar por
leña y a la pérdida de tiempo.
El organismo que financio este proyecto fue Caritas Estelí, el cual entrego el apoyo
completo a algunas familias de la comunidad, mientras que otras recibieron la mitad del
financiamiento y algunas solamente la bolsa que cubre el biodigestor.
En la parte social las personas de la comunidad compartieron que este proyecto se
realizó en esa comunidad ya que se había participado en otros proyectos similares y los
cuales se había cumplido con las actividades, manteniendo los proyectos
El organismo contacto al secretario de la comunidad el cual organizo reuniones en la
comunidad para llegar a un acuerdo que permitiera llevar a cabo la realización del
proyecto.
En la parte ambiental las personas de la comunidad comentaron, que recibieron una
capacitación al inicio del proyecto sobre el uso de los biodigestores y al igual a darle un
correcto mantenimiento para aprovechar completamente los residuos y no contaminar
el ambiente, También que hubo reducción de la tala de árboles por la cual los ríos no se
secaban y ya no había emisión de humo.
Por último, en la parte de salud, expresaron que ya las familias no se perjudicaban con
el humo, que se evitaban la carga de leña la cual causaba dolores musculares, se evitaban
accidentes como caídas o cortes y se ahorraban tiempo en traer leña y dinero en la
compra de esta.
CONCLUSIONES
La Caracterización de las propiedades básicas de la materia orgánica utilizada en el
estudio realizada mediante modelos lineales generales permitió demostrar que, el sustrato
orgánico aserrín es el mejor en cuanto a los sustratos utilizados, esto también quedo
demostrado al hacer la prueba de la llama utilizando un encendedor , sin embargo si existen
diferencias estadísticamente significativas con el sustrato de pasto que en la prueba presento
un bajo nivel de volatilidad, de igual forma quedo demostrado en la prueba de la llama el
cual necesitaba más tiempo para su combustión y se apagaba rápidamente.
El proceso de digestión anaeróbico en los biodigestores se realizó de manera satisfactoria,
el comportamiento del pH se presentó de una forma estable en el aserrín, variando un poco
en el pasto al aumentar en los últimos días de las mediciones y dentro de la neutralidad,
reduciendo las posibilidades de inhibición por acidificación de la materia.
El comportamiento promedio de la temperatura interna de los Biodigestores, se mantuvo
dentro de un rango mesofílico en toda la unidad experimental no se detectaron variaciones
bruscas de temperatura dentro de los biodigestores.
La investigación se concluye de manera satisfactoria; el biogás generado en la
fermentación de los sustratos estudiados es eficaz y como una forma de energía sustentable
que funciona a base de dicho combustible es una más de las alternativas energéticas
sustentables en comunidades rurales.
La llama obtenida en la quema del biogás generado por los biodigestores era
completamente azul, debido a que a los biodigestores se les instalo un filtro o trampa con
agua y cal (solución acuosa), que permitió absorber el CO2 y los H2S.
Este tipo de biodigestores es adecuado para fincas y granjas donde el clima es frio y que
requieren autoabastecerse de energía tanto para la cocción de sus alimentos como para la
generación de electricidad y calefacción mediante generadores pequeños y calentadores que
pueden adaptarse al funcionamiento con biogás.
El Biodigestor es un recurso barato ya que permite a la población rural abastecerse de
energía, un Biodigestor y la vez reutiliza los desechos. También se puede usar en ambientes
urbanos, sirviendo como gran reciclador de materia. Otra de las grandes ventajas de este
método es que los residuos materiales que quedan de la fermentación son absolutamente
útiles ya que funcionan como abono.
Para finalizar, la entrevista realizada en la comunidad de potrerillo la cual por medio de
CARITAS – ESTELI realizo el proyecto de construcción de 5 biodigestores, los cuales
actualmente solo están en funcionamiento 2, el proyecto se llevó a cabo en coordinación con
el secretario de la comunidad, organizando reuniones con la población, la entrevista se realizó
con los jefes de familia, los cuales compartieron sus experiencias con los biodigestores. En
la Parte económica se conoció que el implemento de esta tecnología trajo consigo una
reducción al ahorro de las casas ya que no comprarían cilindros de gas, al pagar por leña y a
la pérdida de tiempo, en la parte social las personas de la comunidad compartieron que este
proyecto se realizó en esa comunidad ya que se había participado en otros proyectos similares
y los cuales se había cumplido con las actividades, manteniendo los proyectos, en la parte
ambiental las personas de la comunidad comentaron, que recibieron una capacitación al inicio
del proyecto sobre el uso de los biodigestores y al igual a darle un correcto mantenimiento
para aprovechar completamente los residuos y no contaminar el ambiente, también que hubo
reducción de la tala de árboles por la cual los ríos no se secaban y ya no había emisión de
humo y por último en la parte de salud, expresaron que ya las familias no se perjudicaba con
el humo, que se evitaban la carga de leña la cual causaba dolores musculares, se evitaban
accidentes como caídas o cortes y se ahorraban tiempo en traer leña y dinero en la compra
de esta.
RECOMENDACIONES
Recomendaciones al realizar investigaciones sobre Biodigestores de digestión
anaerobia.
Utilizar un programa como es infostat este es un programa estadístico desarrollado en el
ambiente Windows y este programa nos permite un rápido acceso a herramientas para
el manejo de datos como por ejemplo utilizar fórmulas, aplicar transformaciones,
ordenar, categorizar variables, generar variables aleatorias mediante el uso de la
simulación, concatenar tablas, seleccionar registros activos, etc.
Mantener controlado el PH para lograr una mejor digestión, utilizando un pH metro
e instalar termómetros para mantener controlada la temperatura e identificar así en
que rango de temperatura se mantiene el biodigestor
Realizar diferentes tipos de mezclas en las relaciones de los sustratos para mejorar
rendimientos en cuanto a la producción de biogás aplicando relación 2:1, 3:1, 4:1. En
este caso utilizamos 2:1
Utilizar un inoculo para acelerar la digestión anaerobia. Este inoculo puede ser un
poco de estiércol. El inoculo utilizado en esta investigación fue estiércol de caballo.
Para que el proceso de digestión anaerobia sea correcto se necesita de un contenedor
herméticamente cerrado para que al producirse dicha digestión los gases no se
escapen.
Utilizar un filtro para que la llama resultante sea azul y no contenga ningún
contaminante en este caso utilizamos un filtro con agua y cal (solución acuosa), que
permitió absorber el CO2 y los H2S.
Se puede utilizar el biogás generado en la fermentación de los sustratos estudiados en
estufas convencionales, como una forma de energía sustentable que funcionan a base
de dicho combustible son una más de las alternativas energéticas sustentables en
comunidades rurales.
Para este tipo de investigaciones se recomienda utilizar biodigestores tipo batch, Este
tipo de digestor se carga una sola vez en forma total y la descarga se efectúa una vez
que ha dejado de producir gas. Este tipo de digestor es también ideal a nivel de
laboratorio si se desean evaluar los parámetros del proceso o el comportamiento de
un residuo orgánico o una mezcla de ellas.
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